DE102013204964B4 - Optically pumped surface emitting lasers with high reflectivity reflector and limited bandwidth - Google Patents

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Abstract

Laserstruktur, umfassend:eine Halbleiter-Verstärkungsregion, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung bei einer Laser-Schwerpunktwellenlänge emittiert;eine optische Pumpquelle, die so konfiguriert ist, dass sie einen Pumpstrahl (110) bei einer Pump-Schwerpunktwellenlänge zur Verstärkungsregion gerichtet emittiert;einen ersten Reflektor, der einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) umfasst und im Pumpstrahl angeordnet ist, wobei der erste Reflektor ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % über eine Bandbreite von weniger als 60 nm zentriert bei der Laser-Schwerpunktwellenlänge aufweist, wobei der erste Reflektor außerdem ein Reflexionsvermögen von weniger als 50 % bei der Pump-Schwerpunktwellenlänge aufweist;einen zweiten Reflektor, wobei die Verstärkungsregion zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist,wobei der erste Reflektor eine Anzahl von Schichtpaaren umfasst, wobei jedes Schichtpaar eine erste und eine zweite Schicht umfasst, wobei eine optische Dicke der ersten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und eine optische Dicke der zweiten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und wobeidie Schichtpaare des ersten Reflektors dielektrisches Material umfassen.A laser structure comprising:a semiconductor gain region configured to emit radiation at a lasing center wavelength;an optical pump source configured to emit a pump beam (110) at a pump center wavelength directed toward the gain region; a first reflector comprising a distributed Bragg reflector (DBR) and positioned in the pump beam, the first reflector having a reflectivity greater than 90% over a bandwidth of less than 60 nm centered at the laser centroid wavelength, the first reflector also has a reflectivity of less than 50% at the pump center wavelength;a second reflector, wherein the gain region is disposed between the first reflector and the second reflector,wherein the first reflector comprises a number of layer pairs, each layer pair having a first and a second layer comprising an optical thick e of the first layer is 3/4 the lasing centroid wavelength, and an optical thickness of the second layer is 3/4 the lasing centroid wavelength, and wherein the layer pairs of the first reflector comprise dielectric material.

Description

US 2011 / 0 268 143 A1 beschreibt eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung, die eine Pumplichtquelle, eine Verstärkungsstruktur und einen Auskoppelspiegel enthält. Die Verstärkungsstruktur besteht aus InGaN-Schichten, die eine resonante Anregungsabsorption bei der Pumpwellenlänge aufweisen. Licht von der Pumplichtquelle bewirkt, dass die Verstärkungsstruktur Licht emittiert, das vom Auskoppelspiegel zurück zur Verstärkungsstruktur reflektiert wird. Ein verteilter Bragg-Reflektor bewirkt eine interne Reflexion innerhalb der Verstärkungsstruktur. Der Auskoppelspiegel ermöglicht, dass Licht mit ausreichender Energie zur Verwendung außerhalb der Vorrichtung hindurchtritt. Eine Frequenzverdopplungsstruktur kann zwischen der Verstärkungsstruktur und dem Auskoppelspiegel angeordnet sein. Ausgangswellenlängen im tiefen UV-Spektrum können erreicht werden.US 2011/0 268 143 A1 describes a light-emitting semiconductor device containing a pumping light source, an amplification structure and an output coupling mirror. The gain structure consists of InGaN layers that exhibit resonant excitation absorption at the pump wavelength. Light from the pump light source causes the gain structure to emit light, which is reflected back to the gain structure by the output mirror. A distributed Bragg reflector causes internal reflection within the gain structure. The output mirror allows light of sufficient energy to pass through for use outside of the device. A frequency doubling structure can be arranged between the amplification structure and the output coupling mirror. Output wavelengths in the deep UV spectrum can be achieved.

US 6 553 051 B1 beschreibt eine optische Baugruppe, die eine optische Unterbaugruppe umfasst, die einen vorgefertigten langwelligen Laser enthält, der optisch mit einem vorgefertigten kurzwelligen Laser gekoppelt ist, der sich in einem Gehäuse befindet. Die optische Baugruppe kann entfernbar in dem Gehäuse installiert sein, in dem der kurzwellige Laser enthalten ist. Der kurzwellige Laser pumpt den langwelligen Laser optisch, was zu einer langwelligen Laserleistung führt. Die optische Baugruppe ermöglicht die unabhängige Herstellung, Optimierung und Prüfung des kurzwelligen Lasers und des langwelligen Lasers. U.S. 6,553,051 B1 describes an optical assembly that includes an optical subassembly that includes a prefabricated long wavelength laser optically coupled to a prefabricated short wavelength laser located in a housing. The optics assembly can be removably installed in the housing in which the short wavelength laser is contained. The short wavelength laser optically pumps the long wavelength laser, resulting in long wavelength laser power. The optical assembly enables the independent manufacture, optimization and testing of the short wavelength laser and the long wavelength laser.

US 2007 / 0 019 697 A1 beschreibt ein VCSEL-System, das das Ausbilden eines ersten Spiegels, das Ausbilden eines vertikalen Hohlraums auf dem ersten Spiegel, wobei der vertikale Hohlraum integrierte Mehrfachverstärkungsbereiche und das Ausbilden eines transversalen p / n-Übergangs seitlich zu den integrierten Mehrfachverstärkungsbereichen umfasst, wobei das vorwärts vorgespannt wird transversaler p / n-Übergang verursacht Photonenemission in den integrierten Mehrfachverstärkungsbereichen.US 2007/0 019 697 A1 describes a VCSEL system comprising forming a first mirror, forming a vertical cavity on the first mirror, the vertical cavity integrating multiple gain regions, and forming a transverse p/n junction lateral to the integrated Multiple gain regions comprised where the forward biased transverse p/n junction causes photon emission in the integrated multiple gain regions.

US 2006 / 0 268 398 A1 beschreibt einen MEMS-abstimmbaren optischen Halbleiterverstärker (SOA). Die Vorrichtung umfasst ein Substrat, einen ersten Spiegel, der mit dem Substrat gekoppelt ist, einen zweiten Spiegel, einen aktiven Bereich, der zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel gekoppelt ist, und einen mikroelektromechanischen Aktuator, der mit dem zweiten Spiegel gekoppelt ist, wobei a Der mikroelektromechanische Aktuator wird mit Spannung beaufschlagt, um die SOA abzustimmen.US 2006/0 268 398 A1 describes a MEMS tunable semiconductor optical amplifier (SOA). The device includes a substrate, a first mirror coupled to the substrate, a second mirror, an active region coupled between the first and second mirrors, and a microelectromechanical actuator coupled to the second mirror, wherein a The microelectromechanical actuator is energized to tune the SOA.

US 2007 / 0 104 241 A1 beschreibt einen Oberflächenemissionslaser. Es wird ein Oberflächenemissionslaser mit vertikaler äußerer Kavität (VECSEL) unter Verwendung von Endpumpen bereitgestellt, bei dem ein Pumpstrahl unter Verwendung einer Pumpstrahlreflexionsschicht zurückgeführt wird, um die Pumpstrahlabsorption zu erhöhen. Der VECSEL enthält: eine aktive Schicht zum Erzeugen und Emittieren von Signallicht; einen externen Spiegel, der von der Oberseite der aktiven Schicht getrennt ist und dieser zugewandt ist und einen ersten Teil des Signallichts durchlässt und einen zweiten Teil des Signallichts zur aktiven Schicht reflektiert; eine erste Reflexionsschicht, die eine untere Oberfläche der aktiven Schicht berührt und das Signallicht zum Außenspiegel reflektiert; einen Pumplaser zum Emittieren des Pumpstrahls in Richtung der unteren Oberfläche der aktiven Schicht, um die aktive Schicht anzuregen; und eine zweite Reflexionsschicht, die die Oberseite der aktiven Schicht berührt und einen Teil des Pumpstrahls zurück zur aktiven Schicht reflektiert.US 2007/0 104 241 A1 describes a surface emitting laser. A vertical outer cavity surface emitting laser (VECSEL) using end pumps is provided in which a pump beam is returned using a pump reflective layer to increase pump absorption. The VECSEL includes: an active layer for generating and emitting signal light; an external mirror separated from and facing the top of the active layer and transmitting a first portion of the signal light and reflecting a second portion of the signal light to the active layer; a first reflection layer that contacts a lower surface of the active layer and reflects the signal light to the outside mirror; a pump laser for emitting the pump beam toward the lower surface of the active layer to excite the active layer; and a second reflective layer touching the top of the active layer and reflecting a portion of the pump beam back to the active layer.

US 2006 / 0251140 A1 beschreibt einen endgepumpten vertikalen Oberflächenhohlraumlaser (VECSEL), bei dem ein Pumplaserstrahl im rechten Winkel auf einen Laserchip fällt. In dem oberflächenemittierenden Laser mit externem Hohlraum ist ein Laserchip-Paket mit einem Laserchip versehen, der durch optisches Pumpen Licht mit einer ersten Wellenlänge emittiert. Ein externer Spiegel ist von einer oberen Oberfläche des Laserchip-Pakets beabstandet, um einen Teil des Lichts zu übertragen Vom Laserchip nach außen emittiert und um den Rest zum Laserchip zu reflektieren, ist ein Kühlkörper mit der Bodenfläche des Laserchip-Gehäuses gekoppelt, um die vom Laserchip erzeugte Wärme abzuleiten, und ein Pumplaser ist einer Bodenfläche von zugewandt der Kühlkörper emittiert Pumplicht mit einer zweiten Wellenlänge senkrecht zum Laserchip.US 2006/0251140 A1 describes an end-pumped vertical surface cavity laser (VECSEL) in which a pump laser beam strikes a laser chip at right angles. In the external cavity surface emitting laser, a laser chip package is provided with a laser chip that emits light having a first wavelength by optical pumping. An external mirror is spaced from a top surface of the laser chip package to transmit part of the light emitted from the laser chip to the outside and to reflect the rest to the laser chip, a heat sink is coupled to the bottom surface of the laser chip package to cool the light emitted by the laser chip To dissipate heat generated by the laser chip, and a pumping laser faces a bottom surface of the heatsink and emits pumping light having a second wavelength perpendicular to the laser chip.

US6597017B1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung , die pseudogitterangepasste Schichten mit guter Kristallinität aufweist, die mit gitterfehlangepassten Materialien gebildet sind. Zuggespannte n-Typ-AI0.5Ga0.5N-Schichten (untere Seite) und druckgespannte n-Typ-Ga0.9ln0.1N-Schichten (obere Seite) werden in 16,5 Perioden auf einem GaN-Kristallschichtsubstrat gezüchtet, um einen n-Typ zu bilden DBR-Spiegel; eine undotierte GaN-Abstandsschicht und ein aktiver Bereich werden auf dem DBR-Spiegel vom n-Typ gezüchtet; und eine undotierte GaN-Abstandsschicht wird auf dem aktiven Bereich gezüchtet. Ferner werden zuggespannte AI0.5Ga0.5N-Schichten vom p-Typ (untere Seite) und druckgespannte Ga0.9ln0.1N-Schichten vom p-Typ (obere Seite) in 12 Perioden auf der Abstandsschicht gezüchtet, um einen p-Typ zu bilden DBR spiegeln und vervollständigen schließlich einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser. US6597017B1 describes a semiconductor device having pseudo-lattice-matched layers with good crystallinity formed with lattice-mismatched materials. Tensionally strained n-type Al0.5Ga0.5N layers (bottom side) and compressively strained n-type Ga0.9In0.1N layers (top side) are grown in 16.5 periods on a GaN crystal layer substrate to form an n- type to form DBR mirror; an undoped GaN spacer layer and an active area are grown on the n-type DBR mirror; and an undoped GaN spacer layer is grown on the active area. Further, p-type Al0.5Ga0.5N tensile layers (lower side) and p-type Ga0.9In0.1N compressive layers (upper side) are grown in 12 periods on the spacer layer to form a p-type DBR mirror and finally complete a surface emitting semiconductor laser.

DE19708992A1 beschreibt einen VCSEL. DE19708992A1 describes a VCSEL.

Das VCSEL hat ein halbleitendes Substrat mit einem ersten geteilten Bragg-Reflektor mit alternierenden Schichten aus InAIGaP und AlAs. Diese Schichten sind von einem Dotierstofftyp und konzentrieren sich auf einer ihrer Oberflächen. Ein aktiver Bereich wird an einen Abdeckungsbereich angelegt und ein zweiter Abdeckungsbereich wird an den aktiven Bereich angelegt. Ein zweiter Bragg-Reflektor auf dem zweiten Abdeckbereich weist abwechselnde Schichten aus InAIGaP und AlAs sowie einen entgegengesetzten Dotierungstyp und eine unterschiedliche Konzentration auf. Ein Kontaktbereich ist an dem zweiten Reflektor angebracht.The VCSEL has a semiconducting substrate with a first split Bragg reflector with alternating layers of InAlGaP and AlAs. These layers are of a dopant type and are concentrated on one of their surfaces. An active area is applied to a coverage area and a second coverage area is applied to the active area. A second Bragg reflector on the second cap region has alternating layers of InAlGaP and AlAs and an opposite doping type and concentration. A contact area is attached to the second reflector.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen gepumpten oberflächenemittierenden Laser zur verbessern. Dieses Ziel wird durch eine Laserstruktur gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 erreicht. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.It is the object of the present invention to improve an optically pumped surface emitting laser. This object is achieved by a laser structure according to claim 1 and a method according to claim 9. Embodiments of the invention are laid down in the dependent claims.

Figurenlistecharacter list

  • 1 ist ein Diagramm eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator (VCSEL), der einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Bandbreite (HR/BL für engl. high reflectivity/bandwidth limited) umfasst; 1 Figure 13 is a diagram of an optically pumped vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) including a high reflectivity/bandwidth limited (HR/BL) distributed Bragg reflector (DBR);
  • 2 veranschaulicht eine Konfiguration einer VECSEL-Vorrichtung, wobei die Pumpquelle und die Halbleiterstruktur so angeordnet sind, dass der Pumpstrahl in einem Winkel, θ ≠ 0, auf die Halbleiterstruktur auftrifft; 2 Figure 12 illustrates a configuration of a VECSEL device where the pump source and the semiconductor structure are arranged such that the pump beam impinges the semiconductor structure at an angle, θ ≠ 0;
  • 3 ist ein Diagramm eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasers mit externem vertikalem Resonator (VECSEL), der einen HR/BL-DBR umfasst; 3 Figure 13 is a diagram of an optically pumped external vertical cavity surface emitting laser (VECSEL) comprising an HR/BL DBR;
  • 4 stellt Simulationsplots des Reflexions- und Durchlassvermögens in Bezug auf die Wellenlänge von einfallender Strahlung für einen HR/BL-DBR dar, der 8 Paare von SiO2/TiO2 aufgebracht auf GaN umfasst und Dreiviertelwellenlängen-Schichtdicken aufweist, die für eine Schwerpunktwellenlänge von 460 nm konzipiert sind; 4 Figure 12 presents simulation plots of reflectivity and transmittance versus wavelength of incident radiation for a HR/BL DBR comprising 8 pairs of SiO 2 /TiO 2 deposited on GaN and having three-quarter wavelength layer thicknesses designed for a centroid wavelength of 460 nm are designed;
  • 5 stellt Simulationsplots des Winkelspektrums des Reflexions- und Durchlassvermögens für den Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBR mit SiO2/TiO2 Schichten (wie in Verbindung mit 4 beschrieben) für eine Pumpwellenlänge von 405 nm dar; 5 provides reflectance and transmittance angular spectrum simulation plots for the three-quarter wavelength HR/BL DBR with SiO 2 /TiO 2 layers (as described in conjunction with 4 described) for a pump wavelength of 405 nm;
  • 6 stellt Simulationsplots des Reflexions- und Durchlassvermögens für den Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBR mit SiO2/TiO2 Schichten (wie in Verbindung mit 4 beschrieben) für eine Pumpwellenlänge von 445 nm dar; 6 provides simulation plots of reflectivity and transmittance for the three-quarter wavelength HR/BL DBR with SiO 2 /TiO 2 layers (as in connection with 4 described) for a pump wavelength of 445 nm;
  • 7 vergleicht prädiziertes Reflexionsvermögen mit gemessenem Reflexionsvermögen von verschiedenen experimentellen Strukturen; 7 compares predicted reflectance to measured reflectance from various experimental structures;
  • 8 ist ein Diagramm eines VECSELs, der einen kleinen Luftspalt zwischen der Verstärkungsregion und dem Reflektor umfasst; 8th Figure 12 is a diagram of a VECSEL that includes a small air gap between the gain region and the reflector;
  • 9 stellt die Laserspektrum-Laserstrahlungsemission dar, die durch eine erste experimentelle Laserstruktur erzeugt wird, die dem in 2 dargestellten VCSEL ähnelt; 9 represents the laser spectrum laser radiation emission produced by a first experimental laser structure corresponding to that in 2 VCSEL shown is similar;
  • 10 stellt die Ausgangsleistung des VCSELs der ersten experimentellen Laserstruktur dar; 10 represents the output power of the VCSEL of the first experimental laser structure;
  • 11 zeigt die Emission von Laserstrahlung, die durch eine zweite experimentelle Laserstruktur erzeugt wird, die dem in 8 dargestellten VECSEL ähnelt, der einen Luftspalt umfasste; 11 shows the emission of laser radiation generated by a second experimental laser structure corresponding to that in 8th illustrated VECSEL, which included an air gap;
  • 12 stellt eine Simulation der Resonatormoden eines Systems dar, welches den beweglichen externen Spiegel, den Luftspalt, den reduzierten GaN-Rest und den DBR der epitaxialen Seite umfasst; und 12 Figure 12 depicts a simulation of the resonator modes of a system comprising the moving external mirror, the air gap, the reduced GaN residue and the DBR of the epitaxial side; and
  • 13 stellt einen VCSEL dar, der erste und zweite Reflektoren umfasst, die auf jeder Seite einer Verstärkungsregion angeordnet sind, wobei der erste Reflektor einen ersten Abschnitt aufweist, und die Wärmeleitfähigkeit des ersten Abschnitts von der Wärmeleitfähigkeit des zweiten Abschnitts verschieden ist. 13 FIG. 11 illustrates a VCSEL that includes first and second reflectors disposed on either side of a gain region, the first reflector having a first portion, and the thermal conductivity of the first portion is different than the thermal conductivity of the second portion.

BESCHREIBUNG VON VERSCHIEDENEN AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF VARIOUS EMBODIMENTS

Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) und oberflächenemittierende Laser mit externem vertikalem Resonator (VECSEL) (zusammen als V(E)CSEL bezeichnet) sind aufgrund der hohen Qualität ihrer spektralen und räumlichen optischen Lasercharakteristiken von Interesse. Die Realisierung von V(E)CSELs innerhalb des III-Nitrid Materialsystems für Ultraviolett (UV)-, Blau- und Grün-Emission ist schwierig. Die hierin erörterten Ausführungsformen umfassen Konfigurationen, die auf III-Nitrid Materialien für diese Bildung von kompakten und kostengünstigen V(E)CSEL-Systemen basieren, die im nahen UV- bis Blau-Spektralbereich emittieren. In einigen Fällen können die V(E)CSEL-Systeme Frequenzverdopplungselemente umfassen, um Wellenlängen bis hinunter zum UV-C Bereich zu erreichen.Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) and external vertical-cavity surface-emitting lasers (VECSEL) (collectively referred to as V(E)CSEL) are of interest because of the high quality of their laser spectral and spatial optical characteristics. The realization of V(E)CSELs within the III-nitride material system for ultraviolet (UV), blue and green emission is difficult. The embodiments discussed herein include configurations based on III-nitride materials for the formation of compact and low-cost V(E)CSEL systems that emit in the near-UV to blue spectral range. In some cases, the V(E)CSEL systems can include frequency doubling elements to reach wavelengths down to the UV-C range.

Die im Folgenden erörterten Ausführungsformen umfassen neuartige verteilte Bragg-Reflektoren (DBRs), die in die optisch gepumpten Lasersysteme integriert sind. Die hierin erörterten DBRs können mit jedem Typ von Halbleiter-Laser verwendet werden, z. B. Kanten-Emittern oder Oberflächen-Emittern, die besonders nützliche VCSEL- oder VECSEL-Konstruktionen sind. Die hierin erörterten DBR-Konstruktionen stellen ein hohes Reflexionsvermögen für die gewünschte V(E)CSEL-Laserwellenlänge und eine hohe Durchlässigkeit für kompakte und kostengünstige Halbleiter-Pumpquellen bereit. Einige Konstruktionen umfassen DBRs mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Reflexionsbandbreite. Zum Beispiel weisen einige im Folgenden erörterte DBRs ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % in einer Reflexionsbandbreite von weniger als etwa 60 nm bei der Laser-Schwerpunktwellenlänge auf. Diese DBRs weisen ein Durchlassvermögen von mehr als etwa 50 % bei der Schwerpunktwellenlänge der Pumpstrahlung auf. In einigen Fällen sind die DBRs mit hohem Reflexionsvermögen, die eine Reflexionsbandbreite aufweisen, die auf nahe der Laserwellenlänge begrenzt ist, unter Verwendung von DBR-Schichten mit einer Dreiviertelwellenlängen-Dicke hergestellt, welche die Reflexionsbandbreite des DBRs wesentlich verringern und Freiheit bei der Auswahl der Pumpquelle erlauben. Die Verwendung eines DBRs mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Bandbreite (HR/BL) kann hilfreich sein, da diese DBRs es ermöglichen, im Handel erhältliche, leistungsstarke Halbleiter-Pumpquellen mit festgelegten Emissionswellenlängen in optisch gepumpte Lasersysteme zu integrieren.The embodiments discussed below include novel distributed Bragg reflectors (DBRs) integrated into the optically pumped laser systems. The DBRs discussed herein can be used with any type of semiconductor laser, e.g. B. edge emitters or surface emitters, which are particularly useful VCSEL or VECSEL constructions. The DBR designs discussed herein provide high reflectivity for the desired V(E)CSEL laser wavelength and high transmission for compact and inexpensive semiconductor pump sources. Some designs include DBRs with high reflectivity and limited reflection bandwidth. For example, some DBRs discussed below exhibit greater than 90% reflectivity in a reflection bandwidth of less than about 60 nm at the laser centroid wavelength. These DBRs have a transmission efficiency of more than about 50% at the centroid wavelength of the pump radiation. In some cases, the high reflectivity DBRs, which have a reflection bandwidth limited to near the laser wavelength, are fabricated using three-quarter wavelength thick DBR layers, which significantly reduce the DBR's reflection bandwidth and freedom in pump source selection to allow. The use of a high reflectivity, limited bandwidth (HR/BL) DBR can be helpful, as these DBRs allow commercially available, high-power semiconductor pump sources with fixed emission wavelengths to be integrated into optically pumped laser systems.

Im Allgemeinen werden hochwertige Spiegel für das kurze Verstärkungsmedium von oberflächenemittierenden Lasern benötigt. Die für solche Vorrichtungen verwendeten DBRs können ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % oder mehr als 95 % oder sogar mehr als 99 % bei der Laserwellenlänge aufweisen. Optisches Pumpen von V(E)SLs ermöglicht mehr Flexibilität bei DBR-Materialien, da der DBR nicht elektrisch leitend zu sein braucht und dielektrische DBRs verwendet werden können. Außerdem kann optisches Pumpen die Absorption der Pumpstrahlung und die Erzeugung der Elektron-Loch-Paare vorwiegend in der Verstärkungsregion, z. B. Quantentöpfen, erleichtern, was die Schwellenbedingungen für die Emission von Laserstrahlung reduziert.In general, high quality mirrors are required for the short gain medium of surface emitting lasers. The DBRs used for such devices can have a reflectivity greater than 90%, or greater than 95%, or even greater than 99% at the lasing wavelength. Optical pumping of V(E)SLs allows more flexibility in DBR materials since the DBR does not need to be electrically conductive and dielectric DBRs can be used. In addition, optical pumping can reduce the absorption of the pump radiation and the generation of the electron-hole pairs predominantly in the gain region, e.g. B. quantum wells, which reduces the threshold conditions for the emission of laser radiation.

Zur Implementierung von optisch gepumpten V(E)CSELs in einem kompakten und kostengünstigen System ist die Wahl der Pumpquelle von Interesse. Optische Pumpquellen mit hoher optischer Ausgangsleistung (z. B. bis zu 1 Watt) sind im Handel gegenwärtig auf der Basis von GaNbasierten Halbleiterlasern im Wellenlängenbereich von 405 nm und 445 nm erhältlich. Dielektrische Viertelwellenlängen-DBRs, welche ein hohes Reflexionsvermögen mit verhältnismäßig wenigen Materialschichten bereitstellen, sind jedoch nicht optimal für V(E)CSELs, welche diese Pumpquellen verwenden, da die Viertelwellenlängen-DBRs eine verhältnismäßig breite Reflexionsbandbreite aufweisen und daher bei Wellenlängen von 405 nm und 445 nm reflektierend sind. Obwohl im Allgemeinen auf Laser anwendbar, die auf verschiedenen Materialsystemen basieren, umfassen die im Folgenden erörterten Beispiele die Konstruktion von DBRs für V(E)CSELs, die auf III-Nitrid Materialsystemen basiert, die bei Ultraviolett (UV)-, Blau- und Grün-Wellenlängen emittieren. Die vorgeschlagenen DBRs stellen ein ausreichendes Reflexionsvermögen für die gewünschte V(E)CSEL-Laserwellenlänge und eine ausreichende Durchlässigkeit für die Pumpquellen bereit. Die Vorgaben von hohem Reflexionsvermögen, z. B. einem Reflexionsvermögen von mehr als 95 %, und begrenzter Reflexionsbandbreite bei der Laserwellenlänge in Verbindung mit einem ausreichendem Durchlassvermögen für die Pumpstrahlungswellenlänge können unter Verwendung von verschiedenen Materialien und Schichtdicken erreicht werden. In einer Implementierung kann ein DBR mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Bandbreite (HR/BL) unter Verwendung von Materialschichten mit Dreiviertelwellenlängendicke hergestellt werden, welche die Reflexionsbandbreite des DBRs wesentlich reduzieren und Freiheit beim Pumpenkonfigurationsdesign ermöglichen. Für einen Dreiviertelwellenlängen-DBR ist die Dicke der i-ten DBR-Schicht durch die folgende Gleichung gegeben: t i = 3 λ i / 4 n ( λ i )

Figure DE102013204964B4_0001
wobei λl die Schwerpunkt (Spitzen)-Wellenlänge der Laserstrahlung ist, und n(λl) der Brechungsindex des Schichtmaterials bei der Wellenlänge der Laserstrahlung ist.To implement optically pumped V(E)CSELs in a compact and low-cost system, the choice of the pump source is of interest. Optical pump sources with a high optical output power (e.g. up to 1 watt) are currently commercially available on the basis of GaN-based semiconductor lasers in the wavelength range of 405 nm and 445 nm. However, quarter-wave dielectric DBRs, which provide high reflectivity with relatively few layers of material, are not optimal for V(E)CSELs using these pump sources, since the quarter-wave DBRs have a relatively wide reflection bandwidth and therefore at wavelengths of 405 nm and 445 nm nm are reflective. Although generally applicable to lasers based on various material systems, the examples discussed below include the construction of DBRs for V(E)CSELs based on III-nitride material systems operating at ultraviolet (UV), blue, and green -Emit wavelengths. The proposed DBRs provide sufficient reflectivity for the desired V(E)CSEL laser wavelength and transmittance for the pump sources. The requirements of high reflectivity, e.g. B. a reflectivity of more than 95%, and limited reflection bandwidth at the laser wavelength in combination with a sufficient transmissivity for the pump radiation wavelength can be achieved using different materials and layer thicknesses. In one implementation, a high reflectivity, limited bandwidth (HR/BL) DBR can be fabricated using three-quarter wavelength thick material layers, which significantly reduce the DBR's reflection bandwidth and allow freedom in pump configuration design. For a three quarter wavelength DBR, the thickness of the i th DBR layer is given by the following equation: t i = 3 λ i / 4 n ( λ i )
Figure DE102013204964B4_0001
where λ l is the centroid (peak) wavelength of the laser radiation and n(λ l ) is the refractive index of the layer material at the wavelength of the laser radiation.

In einigen Implementierungen sind die Materialien, die für die DBR-Schichten verwendet werden, Kombinationen von dielektrischen Materialien, welche einen verhältnismäßig hohen Brechungsindexkontrast aufweisen, wie beispielsweise SiO2 und TiO2. Die Verwendung dieser Materialien mit hohem Brechungsindexkontrast bedeutet, dass verhältnismäßig wenige Schichten eingesetzt werden können, um ein hohes Reflexionsvermögen zu erreichen. Es ist auch möglich, Materialien mit einem niedrigeren Brechungsindexkontrast zu verwenden, obwohl dann mehr Schichten zum Erreichen eines hohen Reflexionsvermögens benötigt werden. Die Materialien der DBR-Schichten können dielektrische und/oder Halbleitermaterialien umfassen, die epitaxial aufgewachsen oder nicht-epitaxial aufgebracht werden können.In some implementations, the materials used for the DBR layers are combinations of dielectric materials that have a relatively high refractive index contrast, such as SiO2 and TiO2. The use of these high refractive index contrast materials means that relatively few layers can be used to achieve high reflectivity. It is also possible to use materials with a lower refractive index contrast, although more layers are then needed to achieve high reflectivity. The materials of the DBR layers may include dielectric and/or semiconductor materials, which may be epitaxially grown or non-epitaxially deposited.

1 ist ein Diagramm eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator (VCSEL), der einen HR/BL-DBR umfasst. Die hierin erörterten VCSEL- und VECSEL-Vorrichtungen können als Dauerstrich (CW für engl. continuous wave)-Laser betrieben werden. Der VCSEL von 1 umfasst eine optische Pumpquelle, einen ersten Reflektor, welcher der HR/BL-DBR ist, einen zweiten Reflektor und eine Halbleiter-Verstärkungsregion. Wie in 1 angezeigt, ist der optische Laserresonator durch die ersten und zweiten Reflektoren begrenzt. Die Verstärkungsregion kann mehrere Quantentopf (QW für engl. quantum well)-Strukturen umfassen, und jede QW-Struktur kann einen oder mehr Quantentöpfe umfassen. Die Verstärkungsregion kann durch epitaxiales Aufwachsen der Halbleiterschichten der Verstärkungsregion auf ein Substrat hergestellt werden, das anschließend reduziert wird, um einen Substratrest 140 zu belassen. In einigen Fällen kann die Verstärkungsregion 10 Perioden von InGaN-Doppel-QWs umfassen, die durch metallorganische Gasphasenepitaxie auf ein GaN Substrat aufgebracht sind. Die Doppel-QWs können in einem resonant-periodischen Verstärkungsschema angeordnet sein, so dass die Positionen der QWs mit dem elektrischen Feldmuster der Lasermode ausgerichtet sind. Der erste Reflektor (HR/BL-DBR) wurde auf die Verstärkungsregion aufgebracht. Das GaN Substrat wurde reduziert, und der zweite Reflektor wurde direkt auf die Rückseite der Verstärkungsregion aufgebracht. 1 Figure 12 is a diagram of an optically pumped vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) that includes an HR/BL DBR. The VCSEL and VECSEL devices discussed herein can be operated as continuous wave (CW) lasers. The VCSEL of 1 comprises an optical pump source, a first reflector which is the HR/BL-DBR, a second reflector and a semiconductor gain region. As in 1 indicated, the laser optical resonator is defined by the first and second reflectors. The gain region may include multiple quantum well (QW) structures, and each QW structure may include one or more quantum wells. The gain region may be fabricated by epitaxially growing the semiconductor layers of the gain region onto a substrate, which is then reduced to leave a substrate residue 140. FIG. In some cases, the gain region 10 may comprise periods of InGaN double QWs grown by metalorganic vapor phase epitaxy on a GaN substrate. The dual QWs can be arranged in a resonant periodic amplification scheme such that the positions of the QWs are aligned with the electric field pattern of the laser mode. The first reflector (HR/BL-DBR) was applied to the gain region. The GaN substrate was reduced and the second reflector was applied directly to the backside of the gain region.

Zum Beispiel kann die Verstärkungsregion mehrere Quantentopfstrukturen umfassen, wie beispielsweise etwa 10 Perioden von Doppel-Quantentopfstrukturen auf der Basis von InGaN, die auf ein Substrat aufgewachsen sind. Jede Quantentopfstruktur kann der Reihe nach die folgenden Schichten umfassen: eine InGaN Vorspannungsschicht (In0.03Ga0.97N, 35,3 nm dick), eine erste dünne Abstandsschicht (GaN, 5 nm dick), einen ersten Quantentopf, (In0.18Ga0.82N, 3 nm dick), eine zweite dünne Abstandsschicht (GaN, 5 nm dick), einen zweiten Quantentopf, (In0.18Ga0.82N, 3 nm dick), eine dicke Abstandsschicht (GaN, 21,7 nm dick) und eine Trägerbegrenzungs- und Spannungsregelungsschicht (AI0.2Ga0.8N, 20 nm dick). Zusätzliche Strukturen und Verfahren, die in Verbindung mit den hierin erörterten Ansätzen verwendet werden können, werden in der gemeinsam besessenen US-Patentanmeldung S/N 13/427,105 offenbart.For example, the gain region may include multiple quantum well structures, such as about 10 periods of InGaN-based double quantum well structures, grown on a substrate. Each quantum well structure may include the following layers in order: an InGaN biasing layer (In0.03Ga0.97N, 35.3 nm thick), a first thin spacer layer (GaN, 5 nm thick), a first quantum well, (In0.18Ga0.82N , 3 nm thick), a second thin spacer layer (GaN, 5 nm thick), a second quantum well, (In0.18Ga0.82N, 3 nm thick), a thick spacer layer (GaN, 21.7 nm thick) and a carrier confinement and stress control layer (AI0.2Ga0.8N, 20 nm thick). Additional structures and methods that may be used in connection with the approaches discussed herein are disclosed in the commonly owned U.S. Patent Application S/N 13/427,105 disclosed.

Die Pumpstrahlung 110 tritt durch den ersten Reflektor und die Verstärkungsregion durch und erzeugt Elektron-Loch-Paare in den Quantentöpfen der Verstärkungsregion oder in ihrer Nähe. De Elektron-Loch-Paare diffundieren in die Quantentöpfe und rekombinieren, um Laserstrahlung zu erzeugen. Die Laserstrahlung wird durch die ersten und zweiten Reflektoren innerhalb des optischen Laserresonators reflektiert, wodurch eine stehende Welle erzeugt wird, die resonantperiodische Verstärkung bereitstellt. Die Laserstrahlung mit ausreichender Energie tritt durch den zweiten Reflektor durch, wie durch den Pfeil 130 angezeigt. Einige Implementierungen umfassen einen optionalen Frequenzwandler, wie beispielsweise einen nicht linearen optischen Kristall, der Strahlung bei harmonischen Wellen oder bei Summen- oder Differenzfrequenzen der Laserstrahlung erzeugt. Bei Verwendung des Frequenzwandlers können Laserausgänge im tiefen UV-Spektrum, z. B. weniger als 280 nm, erreicht werden. Der in 1 dargestellte optionale Frequenzwandler kann optional für alle hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. Die Frequenzverdopplung kann effizienter sein, wenn der Frequenzwandler, z. B. ein nicht linearer Kristall, innerhalb des Resonators eines VECSELs angeordnet ist, wie in 3 dargestellt.The pump radiation 110 passes through the first reflector and the gain region and creates electron-hole pairs in or near the quantum wells of the gain region. The electron-hole pairs diffuse into the quantum wells and recombine to produce laser radiation. The laser radiation is reflected by the first and second reflectors within the optical laser resonator, creating a standing wave that provides resonant periodic amplification. Laser radiation of sufficient energy passes through the second reflector as indicated by arrow 130. Some implementations include an optional frequency converter, such as a non-linear optical crystal, that generates radiation at harmonic waves or at sum or difference frequencies of the laser radiation. When using the frequency converter, laser outputs in the deep UV spectrum, e.g. B. less than 280 nm can be achieved. the inside 1 The optional frequency converter shown can optionally be used for all of the embodiments described herein. Frequency doubling can be more efficient if the frequency converter, e.g. B. a non-linear crystal, is arranged within the resonator of a VECSELs, as in 3 shown.

In einigen Ausführungsform ist die Pumpquelle eine Laserdiode auf der Basis von Gallium-Nitrid (GaN) (oder alternativ eine Mehrzahl von Laserdioden), die im Bereich von 370 bis 530 nm emittiert. Zum Beispiel emittieren im Handel erhältliche Laservorrichtungen, die für digitale Blu-Ray Player oder Projektoranzeigen konzipiert sind, bei 405 nm oder 445 nm. Diese Vorrichtungen sind gegenwärtig erhältlich und können als Pumpquellen für GaN-basierte V(E)CSELs verwendet werden. Die Ausgangsleistung dieser Pumpquellen kann im Bereich von 0,5 bis 10 Watt liegen. Wie in 1 dargestellt, kann die Pumpquellen-Optik so konfiguriert sein, dass sie ein Fokussiersystem mit einer oder mehr Linsen bereitstellt, welche die Pumpstrahlung auf eine Pumpstrahlpunktgröße mit einem Durchmesser von 50 bis 200 µm fokussieren, um eine Leistungsdichte von mehr als 50 kW/cm2 zu erreichen. Die Verstärkungsregion gibt einen Strahl bei einer gewünschten Wellenlänge, zum Beispiel im Bereich von 420 bis 550 nm, aus.In some embodiments, the pump source is a gallium nitride (GaN) based laser diode (or alternatively a plurality of laser diodes) emitting in the 370 to 530 nm range. For example, commercially available laser devices designed for digital Blu-ray players or projector displays emit at 405 nm or 445 nm. These devices are currently available and can be used as pump sources for GaN-based V(E)CSELs. The output power of these pump sources can range from 0.5 to 10 watts. As in 1 As shown, the pump source optics can be configured to provide a focusing system with one or more lenses that focus the pump radiation to a pump spot size of 50 to 200 µm in diameter to achieve a power density in excess of 50 kW/cm2 . The gain region outputs a beam at a desired wavelength, for example in the 420 to 550 nm range.

Während des Betriebs kann die Verstärkungsregion heiß werden. Um die Möglichkeit einer Verschlechterung der Leistung oder gar einer Beschädigung der Vorrichtung infolge übermäßiger Wärmeerzeugung zu reduzieren, kann die Vorrichtung auf einer Wärmesenke mit dem ersten Reflektor in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke montiert sein. Die Wärmesenke kann zum Beispiel aus Kupfer oder einem anderen wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Diamant, bestehen. Eine optionale zweite Wärmesenke kann in unmittelbarer Nähe des zweiten Reflektors angeordnet sein. Wie in 1 dargestellt, weist die Wärmesenke eine Öffnung auf, um der Pumpstrahlung Zugang zum ersten Reflektor und der Verstärkungsregion zu ermöglichen. Oder alternativ wird in Fällen, in welchen die Wärmesenke optional durchlässig für die Pumpwellenlänge ist, wie z. B. ein durchlässiger Diamant, keine Öffnung in der Wärmesenke benötigt. Wenn die zweite Wärmesenke in unmittelbarer Nähe zum zweiten Reflektor verwendet wird, weist auch die zweite Wärmesenke eine Öffnung auf, um die Emission der Laserstrahlung 130 zu ermöglichen. In einigen Konfigurationen sind diese Öffnungen übereinander zentriert. Wie in 1 veranschaulicht, trifft der Pumpstrahl in einigen Fällen auf den ersten Reflektor normal auf die Oberfläche des ersten Reflektors auf. Bei dieser Konfiguration können die Pumpquelle und die Halbleiter-Verstärkungsregion koaxial ausgerichtet sein, wodurch eine lineare Anordnung aller optischen Teile der Struktur ermöglicht wird, wie in 1 veranschaulicht.During operation, the gain region can become hot. To reduce the possibility of performance degradation or even damage to the device due to excessive heat generation, the device may be mounted on a heat sink with the first reflector in close proximity to the heat sink. For example, the heat sink may be made of copper or another thermally conductive material such as diamond. An optional second heat sink can be placed in close proximity to the second reflector. As in 1 As shown, the heat sink has an aperture to allow pump radiation access to the first reflector and gain region. Or alternatively, in cases where the heat sink is optionally transparent to the pump wavelength, e.g. B. a permeable diamond, no opening needed in the heat sink. When the second heat sink is used in close proximity to the second reflector, the second heat sink also has an opening to allow the laser radiation 130 to be emitted. In some configurations, these openings are centered one above the other. As in 1 1, in some cases the pump beam impinges on the first reflector normal to the surface of the first reflector. In this configuration, the pump source and the semiconductor gain region can be coaxially aligned, allowing a linear arrangement of all optical parts of the structure, as in FIG 1 illustrated.

2 veranschaulicht eine andere Konfiguration für eine VCSEL-Vorrichtung, wobei die Pumpquelle und die Verstärkungsregion so angeordnet sind, dass die Strahlung 110 der Pumpquelle und die von der Verstärkungsregion ausgegebene Strahlung 130 nicht koaxial sind. Bei dieser Anordnung trifft der Pumpstrahl in einem Winkel, θ ≠ 0, auf die Halbleiterstruktur auf. Eine Änderung des Einfallswinkels des Pumpstrahls für eine bestimmte Wellenlänge verschiebt die Charakteristiken des Durchlass-/Reflexionsvermögens des ersten Reflektors, wie im Folgenden genauer erörtert wird. 2 Figure 12 illustrates another configuration for a VCSEL device wherein the pump source and gain region are arranged such that the radiation 110 from the pump source and the radiation 130 output from the gain region are non-coaxial. With this arrangement, the pump beam impinges on the semiconductor structure at an angle, θ ≠ 0. Changing the angle of incidence of the pump beam for a particular wavelength shifts the transmittance/reflectance characteristics of the first reflector, as will be discussed in more detail below.

3 stellt noch eine andere mögliche Konfiguration für eine Laserstruktur dar. In diesem Beispiel ist der Laser als ein VECSEL ausgelegt. Die Implementierung von 3 ähnelt in gewisser Hinsicht der in 2 dargestellten VCSEL-Konfiguration, mit der Ausnahme, dass der VECSEL einen externen Resonator 301 umfasst, der den zweiten Reflektor, d. h. den externen Auskoppelspiegel, von der Verstärkungsregion trennt. Der externe Spiegel kann eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, um das Gauß'sche Strahlenprofil der Lasermode anzunehmen. Der lange Resonator (zum Beispiel 50 bis 200 nm) ermöglicht die Einfügung von zusätzlichen optischen Komponenten, wie nicht-linearen Kristallen zur Erzeugung zweiter Harmonischer oder Polarisationsfilter zur Feinabstimmung der Wellenlänge der Laseremission. In einigen Implementierungen kann das VECSEL-Substrat, auf das die Verstärkungsregion aufgewachsen ist, beibehalten werden, um eine strukturelle Stütze für den VECSEL bereitzustellen. Das Substrat kann eine ausreichende Dicke, um die Bearbeitung der Vorrichtung zu erleichtern, oder eine Dicke von zum Beispiel etwa 100 µm aufweisen. Bei diesen Implementierungen wäre das Substratmaterial ein Material mit großem Bandabstand, z. B. GaN, oder andere Materialien, welche sowohl für die Pumpstrahlung als auch die Laserstrahlung ein hohes Durchlassvermögen aufweisen. In der in 3 dargestellten Konfiguration benötig die Wärmesenke keine Öffnung, da die Vorrichtung von der gegenüberliegenden Seite der Verstärkungsregion gepumpt wird. 3 Figure 12 illustrates yet another possible configuration for a laser structure. In this example, the laser is configured as a VECSEL. The implementation of 3 resembles in some respects the in 2 VCSEL configuration shown, except that the VECSEL includes an external resonator 301 separating the second reflector, ie the external drop mirror, from the gain region. The external mirror may have a curved surface to adopt the Gaussian beam profile of the laser mode. The long resonator (e.g. 50 to 200 nm) allows the insertion of additional optical components, such as non-linear crystals for second harmonic generation or polarizing filters to fine-tune the wavelength of the laser emission. In some implementations, the VECSEL substrate on which the gain region is grown can be retained to provide structural support for the VECSEL. The substrate may be of sufficient thickness to facilitate processing of the device, or may be about 100 µm thick, for example. In these implementations, the substrate material would be a wide bandgap material, e.g. B. GaN, or other materials which have a high transmittance for both the pump radiation and the laser radiation. in the in 3 In the configuration shown, the heat sink does not require an opening since the device is pumped from the opposite side of the gain region.

Wie bereits erwähnt, umfasst der erste Reflektor in 1 bis 4 einen HR/BL-DBR, welcher unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien und Schichtdicken hergestellt werden kann. Die Materialien der DBR-Schichten können dielektrische und/oder Halbleitermaterialien umfassen, die epitaxial aufgewachsen oder nicht-epitaxial aufgebracht werden können. In einigen Fällen kann der HR/BL-DBR eine Anzahl von Schichtpaaren umfassen, wobei jede Schicht eine Dicke aufweist, wie in vorstehender Gleichung 1 dargelegt. Die Anzahl von Schichtpaaren, die im HR/BL-DBR verwendet wird, hängt von den Materialien der Schichten ab, wobei jedoch für Materialien mit hohem Brechungsindex so wenige wie 7 Schichtpaare verwendet werden können.As already mentioned, the first reflector comprises in 1 until 4 a HR/BL DBR which can be fabricated using a variety of materials and layer thicknesses. The materials of the DBR layers may include dielectric and/or semiconductor materials, which may be epitaxially grown or non-epitaxially deposited. In some cases, the HR/BL-DBR may comprise a number of pairs of layers, each layer having a thickness as set forth in Equation 1 above. The number of layer pairs used in the HR/BL-DBR depends on the materials of the layers, but for high refractive index materials as few as 7 layer pairs can be used.

4 stellt Simulationsplots des Reflexionsvermögens 410 und des Durchlassvermögens 420 in Bezug auf die Wellenlänge von einfallender Strahlung für einen HR/BL-DBR dar, der 8 Paare von SiO2/TiO2 aufgebracht auf GaN umfasst und Schichtdicken aufweist, die für eine Schwerpunktwellenlänge von 460 nm konzipiert sind. In diesem Beispiel weist unter der Annahme, dass η(λl) = 1,46 und 2,2 für SiO2 bzw. TiO2, jede der SiO2 Schichten eine Dicke von tSiO2 = 3 x 460 nm/4 x 1,46 = 236,30 nm auf, und jede der TiO2 Schichten weist eine Dicke von tTiO2 = 3 x 460 nm/4 x 2,48 = 139,11 nm auf. Wie aus 4 ersichtlich ist, kann das hohe Reflexionsvermögen (> 99 %) mit einer ziemlich schmalen Bandbreite von etwa 55 nm gegenüber den etwa 150 nm für einen Viertelwellenlängen-SiO2/TiO2 DBR realisiert werden. Außerdem ist in 4 zu erkennen, dass Wellenlängen außerhalb dieses hohen Reflexionsbandes, z. B. Wellenlängen von etwa 400 nm bis etwa 437 nm, ein Durchlassvermögen von mehr als 50 % aufweisen. Mehrere Wellenlängenbänder weisen ein Durchlassvermögen von mehr als 90 % auf. Zum Beispiel weisen bei einem senkrechten Einfall Pumpstrahlungswellenlängen von etwa 435 nm, 423 nm und 405 bis 410 nm ein Durchlassvermögen von mehr als 90 % auf. 4 Figure 12 illustrates simulation plots of reflectance 410 and transmittance 420 versus wavelength of incident radiation for an HR/BL DBR comprising 8 pairs of SiO 2 /TiO 2 deposited on GaN and having layer thicknesses specified for a centroid wavelength of 460 nm are designed. In this example, assuming that η(λl) = 1.46 and 2.2 for SiO2 and TiO2, respectively, each of the SiO2 layers has a thickness of tSiO2 = 3 x 460 nm/4 x 1.46 = 236.30 nm and each of the TiO2 layers has a thickness of tTiO2 = 3 x 460 nm/4 x 2.48 = 139.11 nm. How out 4 As can be seen, the high reflectivity (>99%) can be realized with a fairly narrow bandwidth of about 55 nm versus the about 150 nm for a quarter wavelength SiO2/TiO2 DBR. In addition, 4 to recognize that wavelengths outside this high reflection band, e.g. B. wavelengths from about 400 nm to about 437 nm, have a transmissivity of more than 50%. Several wavelength bands have greater than 90% transmittance. For example, at normal incidence, pump radiation wavelengths of about 435 nm, 423 nm, and 405-410 nm have greater than 90% transmission.

Wie bereits erwähnt, sind zwei Wellenlängen (405 nm und 445 nm) von leistungsstarken InGaN-Laserdioden im Handel mit einer optischen Ausgangsleistung von bis zu 1 Watt erhältlich. Einige Beispiele, die im Folgenden bereitgestellt werden, bieten Konfigurationen, die auf diese potenziellen Pumpstrahlungswellenlängen angewendet werden können, obwohl die Implementierung der hierin beschriebenen Ansätze nicht auf diese konkreten Pumpstrahlungswellenlängen beschränkt ist.As previously mentioned, two wavelengths (405 nm and 445 nm) of high power InGaN laser diodes are commercially available with optical output powers up to 1 watt. Some examples provided below provide configurations that can be applied to these potential pump radiation wavelengths, although implementation of the approaches described herein are not limited to these specific pump radiation wavelengths.

5 stellt Simulationsplots des Reflexionsvermögens 510 und des Durchlassvermögens 520 für den Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBR mit SiO2/TiO2 Schichten (wie in Verbindung mit 4 beschrieben) für eine Wellenlänge von 405 nm dar. Aus 5 ist ersichtlich, dass der DBR für Winkel von 0 bis 12, 29 und 40 Grad ein hohes Durchlassvermögen bereitstellt, was diese Winkel zum Pumpen besonders geeignet macht. 6 stellt Simulationsplots des Reflexionsvermögens 610 und des Durchlassvermögens 620 für den Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBR mit SiO2/TiO2 Schichten (wie in Verbindung mit 4 beschrieben) für eine Wellenlänge von 445 nm dar. Das Winkelspektrum des Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBRs zeigt, dass das Pumpen in einem Winkel von 43 Grad ein hohes Durchlassvermögen bei 445 nm bereitstellt. 5 provides simulation plots of reflectance 510 and transmittance 520 for the three-quarter wavelength HR/BL DBR with SiO 2 /TiO 2 layers (as described in connection with 4 described) for a wavelength of 405 nm. Out of 5 It can be seen that the DBR provides high transmissivity for angles from 0 to 12, 29 and 40 degrees, making these angles particularly suitable for pumping. 6 provides simulation plots of reflectivity 610 and transmittance 620 for the three-quarter wavelength HR/BL DBR with SiO 2 /TiO 2 layers (as described in connection with 4 described) for a wavelength of 445 nm. The angular spectrum of the three-quarter wavelength HR/BL DBR shows that pumping at an angle of 43 degrees provides high transmission at 445 nm.

Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Strukturen verifiziert. Drei Viertelwellenlängen-HR/BL-DBRs wurden mit Zielwellenlängen von etwa 460 nm bis 470 nm hergestellt. Diese experimentellen Strukturen umfassten Dreiviertelwellenlängen-DBRs mit vier Schichtpaaren von SiO2/TiO2 aufgebracht auf Quarz und BK7. Die Ergebnisse der experimentellen Strukturen stimmten mit der theoretischen Prädiktion gut überein, wie in 7 zu sehen ist. In 7 stellt Linie 710 die Prädiktionsergebnisse für das Reflexionsvermögen dar, Linie 720 stellt die Versuchsergebnisse für das Reflexionsvermögen von einem ersten, auf Quarz aufgebrachten DBR mit 4 Schichtpaaren dar, Linie 730 stellt Versuchsergebnisse für das Reflexionsvermögen von einem zweiten, auf Quarz aufgebrachten DBR mit 4 Schichtpaaren dar, und Linie 740 stellt Versuchsergebnisse für das Reflexionsvermögen von einem zweiten, auf BK7 aufgebrachten DBR mit 4 Schichtpaaren dar.The simulation results were verified with experimental structures. Three quarter-wavelength HR/BL DBRs were fabricated with target wavelengths ranging from approximately 460 nm to 470 nm. These experimental structures included three-quarter wavelength DBRs with four layer pairs of SiO 2 /TiO 2 deposited on quartz and BK7. The results of the experimental structures agreed well with the theoretical prediction, as in 7 you can see. In 7 line 710 represents the reflectivity prediction results, line 720 represents the reflectivity test results of a first 4 layer pair DBR deposited on quartz, line 730 represents the reflectivity test results of a second 4 layer pair DBR deposited on quartz , and line 740 represents test results for the reflectivity of a second 4 layer pair DBR deposited on BK7.

In einigen Konfigurationen kann ein kleiner Luftspalt zwischen dem zweiten Reflektor und der Verstärkungsregion einer VECSEL-Struktur verwendet werden, wie in 8 veranschaulicht, um die Spektralqualität einer Pumpquelle zu verbessern. Der VECSEL von 8 umfasst einen ersten Reflektor. Im Allgemeinen kann der erste Reflektor einen beliebigen Typ von Reflektor umfassen. In einigen Implementierungen ist der erste Reflektor ein HR/BL-DBR, der eine verhältnismäßig schmale Reflexionsbandbreite zentriert bei der Laserstrahlungswellenlänge, λlase, aufweist. Die schmale Reflexionsbandbreite des HR/BL-DBRs reflektiert Strahlung bei der Pumpwellenlänge, Apump, nicht wesentlich, wodurch die Vorrichtung durch die Pumpquelle optisch gepumpt werden kann. Die verhältnismäßig schmale Reflexions (R)-Bandbreite des HR/BL-DBRs ermöglicht es der Pumpstrahlung, durch den ersten Reflektor durchzutreten und zur Verstärkungsregion zu gelangen, während die Laserstrahlung, die in der Verstärkungsregion erzeugt wird, zum optischen Laserresonator zurückgeworfen wird. Zum Beispiel kann in Ausführungsformen, die einen ersten HR/BL-DBR-Reflektor verwenden, der erste Reflektor 8 Paare von SiO2/TiO2 mit Schichtdicken von 236,30 nm für die SiO2 Schichten und 139,11 nm für die TiO2 Schichten umfassen.In some configurations, a small air gap can be used between the second reflector and the gain region of a VECSEL structure, as in 8th illustrated to improve the spectral quality of a pump source. The VECSEL of 8th includes a first reflector. In general, the first reflector can include any type of reflector. In some implementations, the first reflector is an HR/BL DBR that has a relatively narrow reflection bandwidth centered at the lasing wavelength, λlase. The narrow reflection bandwidth of the HR/BL DBR does not significantly reflect radiation at the pump wavelength, Apump, allowing the device to be optically pumped by the pump source. The relatively narrow reflection (R) bandwidth of the HR/BL DBR allows the pump radiation to pass through the first reflector and reach the gain region, while the laser radiation generated in the gain region is reflected back to the optical laser resonator. For example, in embodiments using a first HR/BL-DBR reflector, the first reflector may comprise 8 pairs of SiO 2 /TiO 2 with layer thicknesses of 236.30 nm for the SiO 2 layers and 139.11 nm for the TiO 2 layers .

In einigen Implementierungen kann der zweite Reflektor eine verhältnismäßig breite Reflexionsbandbreite mit hohem Reflexionsvermögen sowohl für die Pumpstrahlungswellenlänge, λpump, als auch die Laserstrahlungswellenlänge, λlase, aufweisen. Zum Beispiel kann der zweite Reflektor einen Viertelwellenlängen-DBR mit 6,5 Schichtpaaren von SiO2/TiO2 umfassen, wobei die SiO2 Schicht einen Brechungsindex, nSiO2, von 1,47 und eine Dicke von 78 nm aufweist, und die TiO2 Schichten einen Brechungsindex, nTiO2, von 2,2 und eine Dicke von etwa 52 nm aufweisen. Dieser DBR weist ein Reflexionsvermögen von mehr als 99 % in einer Bandbreite von etwa 150 nm auf, die bei einer Wellenlänge von 460 nm zentriert ist.In some implementations, the second reflector may have a relatively wide reflection bandwidth with high reflectivity for both the pump radiation wavelength, λpump, and the lasing wavelength, λlase. For example, the second reflector may comprise a quarter-wavelength DBR with 6.5 layer pairs of SiO 2 /TiO 2 , the SiO 2 layer having a refractive index, nSiO 2 , of 1.47 and a thickness of 78 nm, and the TiO 2 layers having a refractive index , nTiO2, of 2.2 and a thickness of about 52 nm. This DBR has a reflectivity of greater than 99% in a bandwidth of approximately 150 nm centered at a wavelength of 460 nm.

Die Bereitstellung eines kleinen Luftspalts 830 innerhalb des optischen Laserresonators kann Einmodenemission des VECSELs mit Multimoden-Pumpstrahlung erzeugen. Diese Ausführungsform stellt einen realisierbaren Ansatz zur Verbesserung der Spektralqualität einer Pumpquelle bereit. Der Luftspalt 830, der zwischen dem zweiten Reflektor und der Verstärkungsregion angeordnet ist, bildet eine dritte reflektierende Oberfläche 835 im optischen Laserresonator an der Grenzfläche zwischen dem Luftspalt 839 und der Verstärkungsregion. Die reflektierende Oberfläche 835 und der zweite Reflektor definieren einen sekundären optischen Resonator, der eine kürzere optische Länge als der optische Laserresonator aufweist. Der sekundäre optische Resonator und der (primäre) optische Laserresonator bilden gekoppelte Resonatoren. Die Kopplung zwischen den primären und sekundären optischen Resonatoren führt zu bestimmten Ausgangsmoden, die gegenüber anderen bevorzugt werden. Wenn sich eine bevorzugte Mode mit dem Verstärkungsspektrum überlappt, wird ein Einmodenbetrieb möglich (siehe zum Beispiel die Simulation, die im Folgenden in 12 dargestellt ist). In einigen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche 835 und dem zweiten Reflektor angepasst werden, bis die Vorrichtung Laserstrahlung mit weniger Ausgangsmoden als Eingangsmoden der Pumpquelle ausgibt.Providing a small air gap 830 within the optical laser resonator can produce single mode emission of the VECSEL with multimode pump radiation. This embodiment provides a viable approach to improving the spectral quality of a pump source. The air gap 830 located between the second reflector and the gain region forms a third reflective surface 835 in the optical laser resonator at the interface between the air gap 839 and the gain region. The reflective surface 835 and the second reflector define a secondary optical cavity that has a shorter optical length than the laser optical cavity. The secondary optical resonator and the (primary) optical laser resonator form coupled resonators. The coupling between the primary and secondary optical cavities results in certain output modes being favored over others. When a preferred mode overlaps the gain spectrum, single-mode operation becomes possible (see, for example, the simulation given below in 12 is shown). In some embodiments, the distance between the reflective surface 835 and the second reflector can be adjusted until the device emits laser radiation with fewer output modes than input modes of the pump source.

In einigen Implementierungen kann der Luftspalt dynamisch angepasst werden, um eine oder mehr ausgewählte Ausgangsmoden, z. B. eine einzelne vorherrschende Ausgangsmode, bereitzustellen. Die Verstärkungsregion und/oder der zweite Reflektor können Elektroden 840, die auf ihren nach innen gerichteten Oberflächen angeordnet sind, die einander gegenüberliegen, mit elastisch verformbaren Abstandsschichten 850 zwischen den Elektroden 840 aufweisen. Signale 836 können durch ein Steuersystem an die Elektroden 840 geliefert werden, um Änderungen der Abstände zwischen den nach innen gerichteten, reflektierenden Oberflächen 835 und dem zweiten Reflektor zu bewirken, wie beispielsweise elektrostatisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch, und die Form der Region zwischen ihnen verändern. Der Luftspaltabstand oder der Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen, die den Luftspalt bilden, kann einen großen Bereich von Werten aufweisen, z. B. in der Größenordnung von etwa einem Mikrometer bis Dutzende Mikrometer. Größere Luftspalte ermöglichen die Einfügung von zusätzlichen optischen Komponenten in den Luftspalt. Zum Beispiel können nicht-lineare Kristalle zur Erzeugung zweiter Harmonischer oder Polarisationsfilter zur Feinabstimmung der Wellenlänge der Laseremission in den Luftspalt eingefügt werden.In some implementations, the air gap can be dynamically adjusted to provide one or more selected output modes, e.g. a single dominant output mode. The gain region and/or the second reflector may have electrodes 840 disposed on their inwardly facing surfaces that face each other, with elastically deformable spacer layers 850 between the electrodes 840. Signals 836 may be provided to electrodes 840 by a control system to cause changes in the distances between the inwardly facing reflective surfaces 835 and the second reflector, such as electrostatic, electromagnetic or piezoelectric, and change the shape of the region between them. The air gap distance, or the distance between the reflective surfaces forming the air gap, can have a wide range of values, e.g. B. on the order of about one micron to tens of microns. Larger air gaps allow additional optical components to be inserted into the air gap. For example, non-linear crystals can be inserted in the air gap to generate second harmonics, or polarizing filters can be used to fine-tune the wavelength of the laser emission.

9 stellt die Laserspektrum-Laserstrahlungsemission dar, die durch eine erste experimentelle Laserstruktur erzeugt wird, die dem in 2 dargestellten VCSEL ähnelt, der keinen Luftspalt umfasst. In der ersten experimentellen Struktur wurde die Verstärkungsregion (10 Perioden von InGaN Doppel-Quantentöpfen angeordnet in einem resonant-periodischen Verstärkungs (RPG für engl. resonant periodic gain)-Schema auf ein massives GaN Substrat aufgewachsen. Ein Viertelwellenlängen-SiO2/TiO2 DBR (erster Reflektor) wurde auf die Verstärkungsregion aufgebracht. Das GaN Substrat wurde durch Dünnpolieren auf eine Dicke von weniger als 100 µm reduziert. Der zweite Reflektor, der einen Viertelwellenlängen-SiO2/TiO2 DBR umfasste, wurde auf die polierte Rückseite des Substrats aufgebracht. 11 stellt die Emission von Laserstrahlung dar, die durch eine zweite experimentelle Laserstruktur erzeugt wurde, die dem in 8 dargestellten VECSEL ähnelte, der einen Luftspalt 830 von etwa 10 µm zwischen der Verstärkungsregion und dem zweiten Reflektor umfasste. Wie bereits erwähnt, könnten andere Luftspaltdicken verwendet werden, um ein ähnliches Ergebnis zu erzielen. Für die zweite experimentelle Struktur waren beide Reflektoren Viertelwellenlängen-SiO2/TiO2 DBRs. Beide experimentelle Strukturen wurden mit einem gepulsten Farbstofflaser, der bei 384 nm mit einem Einfallswinkel von etwa 40 Grad emittierte, betrieben und gepumpt. 9 represents the laser spectrum laser radiation emission produced by a first experimental laser structure corresponding to that in 2 VCSEL shown, which does not include an air gap. In the first experimental structure, the gain region (10 periods of InGaN double quantum wells arranged in a resonant periodic gain (RPG) scheme) was grown on a bulk GaN substrate. A quarter wavelength SiO2/TiO2 DBR (first reflector) was applied to the gain region. The GaN substrate was reduced to a thickness of less than 100 µm by thin polishing. The second reflector, comprising a quarter-wavelength SiO2/TiO2 DBR, was applied to the polished backside of the substrate. 11 represents the emission of laser radiation generated by a second experimental laser structure corresponding to that in 8th illustrated VECSEL, which included an air gap 830 of about 10 µm between the gain region and the second reflector. As previously mentioned, other air gap thicknesses could be used to achieve a similar result. For the second experimental structure, both reflectors were quarter wavelength SiO2/TiO2 DBRs. Both experimental structures were operated and pumped with a pulsed dye laser emitting at 384 nm with an incidence angle of approximately 40 degrees.

Sowohl bei den ersten als auch den zweiten experimentellen Vorrichtungen wurde die Materialqualität der Verstärkungschips durch strukturelle und optische Charakterisierungsverfahren bestätigt. Hochauflösende Röntgenbeugungsmessungen in Kombination mit elektronenmikroskopischen Durchstrahlungsuntersuchungen wurden verwendet, um optimale Parameter für die strukturellen Eigenschaften zu bestimmen. Der Wachstumsprozess wurde kontrolliert, um scharfe Schichtgrenzflächen zu bilden und die Entwicklung von ausgedehnten Defekten wie V-Defekten zu vermeiden. Die Effektivwert (rms für engl. root mean square)-Oberflächenrauheit der epitaxialen Oberfläche der Verstärkungsregion wurde für einen 2 µm × 2 µm Scan aus Atomkraftmikroskopie (AFM für engl. atomic force microscopy) auf 0,15 nm festgelegt. Die interne Quantenausbeute (IQE für engl. internal quantum efficiency) der Proben wurde durch temperaturabhängige Fotolumineszenzmessungen bestimmt. Die IQE der Laserproben überschritt 50 %.In both the first and second experimental devices, the material quality of the gain chips was confirmed by structural and optical characterization methods. High-resolution X-ray diffraction measurements in combination with transmission electron microscopy studies were used to determine optimal parameters for the structural properties. The growth process was controlled to form sharp layer interfaces and avoid the development of extended defects such as V-type defects. The root mean square (rms) surface roughness of the epitaxial surface of the gain region was set at 0.15 nm for a 2 µm x 2 µm atomic force microscopy (AFM) scan. The internal quantum efficiency (IQE) of the samples was determined by temperature-dependent photoluminescence measurements. The IQE of the laser samples exceeded 50%.

9 stellt das Laseremissionsspektrum der ersten experimentellen Struktur mit der Emission mit einer Schwerpunktwellenlänge 910 von 453,7 nm dar. Mehrere longitudinale Moden 920, 921 sind klar zu erkennen. Die Linienbreite der Lasermoden ist kleiner als 0,1 nm. Der Modenabstand zwischen den einzelnen Lasermoden korreliert mit der Länge des Resonators (optischer Resonator), welche in diesem Fall aus der Dicke des reduzierten GaN Substrats und den epitaxialen Schichten besteht. Die Dicke wurde auf etwa 73 µm festgelegt. 9 Figure 12 shows the laser emission spectrum of the first experimental structure with the emission having a centroid wavelength 910 of 453.7 nm. Several longitudinal modes 920, 921 are clearly visible. The line width of the laser modes is less than 0.1 nm. The mode spacing between the individual laser modes correlates with the length of the resonator (optical resonator), which in this case consists of the thickness of the reduced GaN substrate and the epitaxial layers. The thickness was set at about 73 µm.

10 stellt die Ausgangsleistung des VCSELs (erste experimentelle Struktur) gegenüber der Spitzenpumpleistung des Farbstofflasers bei Raumtemperatur dar. Die Spitzenpumpleistung wurde durch Messen der gemittelten Pumpleistung, die auf die Probe auftraf, sowie Berücksichtigen der Impulslänge und der Wiederholungsfrequenz des Pumplasers bestimmt. Die Schwellenpumpleistung kann auf etwa 0,75 W festgelegt werden. Für einen geschätzten Pumppunktdurchmesser von etwa 30 µm betrug die Schwellenpumpleistung etwa 100 kW/cm2. 10 Figure 12 plots the output power of the VCSEL (first experimental structure) versus the peak pump power of the dye laser at room temperature. The peak pump power was determined by measuring the average pump power impinging on the sample and considering the pulse length and repetition frequency of the pump laser. The threshold pump power can be set to around 0.75W. For an estimated pumping point diameter of about 30 µm, the threshold pumping power was about 100 kW/cm2.

11 stellt das Laserspektrum des VECSELs mit einem Luftspalt zwischen dem GaN Chip und dem DBR-Spiegel dar (zweite experimentelle Struktur). Wie aus 10 ersichtlich ist, änderten sich die optischen Eigenschaften der Laseremission wesentlich. Während für die erste experimentelle Laserstruktur ohne Luftspalt mehrere longitudinale Moden aufgezeichnet wurden, zeigt das Spektrum der zweiten experimentellen Laserstruktur mit dem Luftspalt eine einzige dominierende longitudinale Mode 1100. Außerdem hat sich die Laserwellenlänge auf 440 nm verschoben. Beide Merkmale lassen sich durch Berücksichtigen der zusätzlichen Grenzfläche 835 zwischen Halbleiter und Luft erklären. 11 shows the laser spectrum of the VECSEL with an air gap between the GaN chip and the DBR mirror (second experimental structure). How out 10 As can be seen, the optical properties of the laser emission changed significantly. While several longitudinal modes were recorded for the first experimental laser structure without an air gap, the spectrum of the second experimental laser structure with the air gap shows a single dominant longitudinal mode 1100. In addition, the laser wavelength has shifted to 440 nm. Both features can be explained by considering the additional interface 835 between semiconductor and air.

12 stellt eine Simulation der Resonatormoden 1210 des Systems dar, welches den beweglichen externen Spiegel, den Luftspalt, den reduzierten GaN-Rest und den DBR der epitaxialen Seite umfasst. Die Laserwellenlänge 1220 stimmt mit einer dieser Moden überein. Zum Vergleich ist außerdem das Fotolumineszenzspektrum 1230 der Probe ohne zweiten DBR unter genau den gleichen Erregungsbedingungen wie für den Laserbetrieb dargestellt. Wie aus 12 ersichtlich ist, bestimmt der Resonator die Laserwellenlänge, welche nicht unbedingt mit der Fotolumineszenzemissions-Spitzenwellenlänge der QWs übereinstimmen muss. 12 FIG. 12 depicts a simulation of the resonator modes 1210 of the system including the moving external mirror, the air gap, the reduced GaN residue, and the DBR of the epitaxial side. The lasing wavelength 1220 corresponds to one of these modes. Also shown for comparison is the photoluminescence spectrum 1230 of the sample without the second DBR under exactly the same excitation conditions as for laser operation placed. How out 12 As can be seen, the resonator determines the lasing wavelength, which does not necessarily have to match the photoluminescence emission peak wavelength of the QWs.

Auftreffende Pump-Photon weisen einer höhere Energie als die Laserphotonen auf, und die Energiedifferenz zwischen Pump- und Laserphotonen wird als Quantenfehler bezeichnet. Die Energiedifferenz zwischen Pump- und Laserphotonen wird als Wärme aus der aktiven Region der Vorrichtung abgeleitet. Außerdem findet Wärmeerzeugung aus der nicht-idealen Materialqualität in der Form von nicht-radioaktiver Rekombination statt. Dielektrische Reflektoren können Materialien mit einem hohen Brechungsindexkontrast verwenden, welche ein sehr gutes Reflexionsvermögen mit verhältnismäßig wenigen Schichten bereitstellen. Allerdings können Dielektrika eine verhältnismäßige geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und bei Anordnung zwischen der Verstärkungsregion und der Wärmesenke können Reflektoren, die aus diesen Materialien hergestellt sind, die Wärmeübertragung aus der Verstärkungsregion zur Wärmesenke behindern. In einigen Ausführungsformen können Laserstrukturen Reflektoren umfassen, die eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die in Bezug auf den Abstand von der Verstärkungsregion variiert. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit des Reflektors eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die in Bezug auf den Abstand variiert. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit, k1, in einer ersten Region des Reflektors verschieden von der Wärmeleitfähigkeit, k2, in einer zweiten Region des Reflektors sein. Solche Reflektoren sind besser geeignet, um zwei Konstruktionsvorgaben von annehmbar hohem Reflexionsvermögen, das unter Verwendung von Dielektrika mit hohem Brechungsindexkontrast erreicht werden kann, und annehmbar hoher Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, die unter Verwendung von Halbleitermaterialien erreicht werden kann, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeleitfähigkeit von dielektrischen Materialien aufweisen.Incident pump photons have higher energy than the laser photons, and the energy difference between pump and laser photons is called the quantum error. The energy difference between pump and laser photons is dissipated as heat from the active region of the device. In addition, heat generation from the non-ideal material quality takes place in the form of non-radioactive recombination. Dielectric reflectors can use high refractive index contrast materials that provide very good reflectivity with relatively few layers. However, dielectrics can have relatively low thermal conductivity, and when placed between the gain region and the heat sink, reflectors made from these materials can impede heat transfer from the gain region to the heat sink. In some embodiments, laser structures may include reflectors that have thermal conductivity that varies with distance from the gain region. For example, the thermal conductivity of the reflector may have a thermal conductivity that varies with distance. For example, the thermal conductivity, k1, in a first region of the reflector may be different from the thermal conductivity, k2, in a second region of the reflector. Such reflectors are better suited to achieve two design objectives of acceptably high reflectivity, which can be achieved using high refractive index contrast dielectrics, and acceptably high thermal conductivity, which can be achieved using semiconductor materials that have a higher thermal conductivity than the thermal conductivity of have dielectric materials.

13 stellt einen VCSEL dar, der erste und zweite Reflektoren umfasst, die auf jeder Seite einer Verstärkungsregion angeordnet sind. In diesem Beispiel ist der erste Reflektor in unmittelbarer Nähe zu einer Wärmesenke und umfasst erste und zweite Abschnitte (in 13 als Abschnitt 1 bzw. Abschnitt 2 bezeichnet). Der erste Abschnitt weist eine Wärmeleitfähigkeit auf, die verschieden von der Wärmeleitfähigkeit des zweiten Abschnitts ist. 13 FIG. 11 illustrates a VCSEL that includes first and second reflectors disposed on either side of a gain region. In this example, the first reflector is in close proximity to a heat sink and includes first and second sections (in 13 referred to as Section 1 and Section 2 respectively). The first section has a thermal conductivity that is different than the thermal conductivity of the second section.

In einigen Implementierungen kann der erste Abschnitt aus Halbleitermaterialien hergestellt sein, die eine verhältnismäßig höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zum Beispiel kann der erste Abschnitt des ersten Reflektors ein Halbleitermaterial umfassen, das epitaxial auf die Verstärkungsregion aufgewachsen ist. Der zweite Abschnitt kann aus dielektrischen Materialien hergestellt sein, die eine verhältnismäßig geringere Wärmeleitfähigkeit als das Halbleitermaterial aufweisen. In some implementations, the first portion may be made from semiconductor materials that have relatively higher thermal conductivity. For example, the first portion of the first reflector may include a semiconductor material epitaxially grown on the gain region. The second section may be made of dielectric materials that have a relatively lower thermal conductivity than the semiconductor material.

Der zweite Abschnitt des ersten Reflektors kann z. B. durch Sputter- oder Aufdampfverfahren auf den ersten Abschnitt des ersten Reflektors aufgebracht sein.The second section of the first reflector can e.g. B. be applied by sputtering or vapor deposition on the first portion of the first reflector.

In einigen Fällen kann der erste Abschnitt ein epitaxial aufgewachsener Halbleiter-DBR-Abschnitt, der eine Anzahl von Schichtpaaren von GaN/AIGaN (Wärmeleitfähigkeit etwa ksemi=1,3 W/cm-K), oder ein anderes geeignetes Halbleitermaterial sein. Der zweite Abschnitt kann ein nicht-epitaxialer, dielektrischer DBR-Abschnitt sein, der z .B. Schichtpaare von SiO2/TiO2 (Wärmeleitfähigkeit etwa kdiel = 0,04 W/cm-K) umfasst. Zum Beispiel kann der erste Abschnitt in einigen Implementierungen 10,5 Schichtpaare von GaN/AI0.2Ga0.8N umfassen, wobei die GaN Schichten eine Dicke von etwa 46,8 nm aufweisen, und die AlGaN Schichten eine Dicke von etwa 48,8 nm aufweisen. Der zweite Abschnitt kann 4 Schichtpaare von SiO2/TiO2 umfassen, wobei die SiO2 Schichten eine Dicke von etwa 78.8 nm aufweisen, und die TiO2 Schichten eine Dicke von etwa 53,2 nm aufweisen.In some cases, the first section may be an epitaxially grown semiconductor DBR section comprising a number of layer pairs of GaN/AlGaN (thermal conductivity about ksemi=1.3 W/cm-K), or other suitable semiconductor material. The second section may be a non-epitaxial, dielectric DBR section, e.g. Layer pairs of SiO 2 / TiO 2 (thermal conductivity about k diel = 0.04 W / cm-K) includes. For example, in some implementations, the first section may include 10.5 layer pairs of GaN/Al0.2Ga0.8N, where the GaN layers have a thickness of about 46.8 nm and the AlGaN layers have a thickness of about 48.8 nm . The second section may comprise 4 layer pairs of SiO2/TiO2, the SiO2 layers having a thickness of about 78.8 nm and the TiO2 layers having a thickness of about 53.2 nm.

Wenn das Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit, z. B. Halbleiter, in Verbindung mit einem Material geringerer Leitfähigkeit, z. B. Dielektrikum, verwendet wird, die Gesamtdicke des dielektrischen Abschnitts, was den gesamten Wärmewiderstand der Vorrichtung reduziert. In einigen Ausführungsformen können einer oder beide von dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein HR/BL-DBR sein. Der erste Abschnitt des HR/BL-DBRs kann aus Viertwellenlängen-GaN/AI-GaN Paaren gebildet sein, und der zweite Abschnitt des HR/BL-DBRs kann aus Dreiviertelwellenlängen-SiO2/TiO2 Schichtpaaren gebildet sein.If the material with higher thermal conductivity, e.g. B. semiconductors, in conjunction with a material of lower conductivity, z. B. dielectric, is used, the overall thickness of the dielectric portion, which reduces the overall thermal resistance of the device. In some embodiments, one or both of the first section and the second section may be an HR/BL-DBR. The first section of the HR/BL-DBR may be formed from fourth-wavelength GaN/Al-GaN pairs, and the second section of the HR/BL-DBR may be formed from three-quarter-wavelength SiO2/TiO2 layer pairs.

Es wird eine Anzahl von Werten und Bereichen in verschiedenen Aspekten der beschriebenen Implementierungen bereitgestellt. Diese Werte und Bereiche sind lediglich als Beispiele zu behandeln und sollen den Schutzumfang der Ansprüche nicht einschränken. Zum Beispiel können Ausführungsformen, die in dieser Offenbarung beschrieben werden, in allen offenbarten numerischen Bereichen in die Praxis umgesetzt werden. Außerdem wird eine Anzahl von Materialien identifiziert, die für verschiedene Facetten der Implementierungen geeignet sind. Diese Materialien sind lediglich als Beispiele zu behandeln und sollen den Schutzumfang der Ansprüche nicht einschränken.A number of values and ranges are provided in various aspects of the described implementations. These values and ranges are to be treated as examples only and are not intended to limit the scope of the claims. For example, embodiments described in this disclosure may be practiced in any of the disclosed numerical ranges. In addition, a number of materials suitable for different facets of the implementations are identified. These materials are to be treated as examples only and are not intended to limit the scope of the claims.

Die vorstehende Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen erfolgte zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung und nicht zur Einschränkung. Die offenbarten Ausführungsformen sind nicht als erschöpfend gedacht oder dazu bestimmt, die möglichen Implementierungen der offenbarten Ausführungsformen einzuschränken. In Anbetracht der vorstehenden Lehre sind viele Abwandlungen und Änderungen möglich.The foregoing description of various embodiments has been provided for the purpose of illustration Illustrative and descriptive and not limiting. The disclosed embodiments are not intended to be exhaustive or to limit the possible implementations of the disclosed embodiments. Many modifications and variations are possible in light of the above teachings.

Claims (9)

Laserstruktur, umfassend: eine Halbleiter-Verstärkungsregion, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung bei einer Laser-Schwerpunktwellenlänge emittiert; eine optische Pumpquelle, die so konfiguriert ist, dass sie einen Pumpstrahl (110) bei einer Pump-Schwerpunktwellenlänge zur Verstärkungsregion gerichtet emittiert; einen ersten Reflektor, der einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) umfasst und im Pumpstrahl angeordnet ist, wobei der erste Reflektor ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % über eine Bandbreite von weniger als 60 nm zentriert bei der Laser-Schwerpunktwellenlänge aufweist, wobei der erste Reflektor außerdem ein Reflexionsvermögen von weniger als 50 % bei der Pump-Schwerpunktwellenlänge aufweist; einen zweiten Reflektor, wobei die Verstärkungsregion zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist, wobei der erste Reflektor eine Anzahl von Schichtpaaren umfasst, wobei jedes Schichtpaar eine erste und eine zweite Schicht umfasst, wobei eine optische Dicke der ersten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und eine optische Dicke der zweiten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und wobei die Schichtpaare des ersten Reflektors dielektrisches Material umfassen.Laser structure comprising: a semiconductor gain region configured to emit radiation at a lasing center wavelength; an optical pump source configured to emit a pump beam (110) directed at a pump center wavelength towards the gain region; a first reflector comprising a distributed Bragg reflector (DBR) and positioned in the pump beam, the first reflector having a reflectivity greater than 90% over a bandwidth of less than 60 nm centered at the laser centroid wavelength, the first reflector also has a reflectivity of less than 50% at the pump center wavelength; a second reflector, wherein the gain region is located between the first reflector and the second reflector, wherein the first reflector comprises a number of layer pairs, each layer pair comprising a first and a second layer, an optical thickness of the first layer being 3/4 the laser centroid wavelength, and an optical thickness of the second layer being 3/4 the lasing centroid wavelength is, and where the layer pairs of the first reflector comprise dielectric material. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl von Schichten größer als 6 ist.laser structure claim 1 , where a number of layers is greater than 6. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei der erste Reflektor umfasst: einen ersten Abschnitt mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit; und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit, die geringer als die erste Wärmeleitfähigkeit ist.laser structure claim 1 , wherein the first reflector comprises: a first portion having a first thermal conductivity; and a second portion having a second thermal conductivity less than the first thermal conductivity. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei die Schwerpunktwellenlänge der Pumpstrahlung 370 bis 530 nm beträgt, und die Laser-Schwerpunktwellenlänge in einem Bereich von 390 bis 550 nm liegt.laser structure claim 1 , wherein the centroid wavelength of the pump radiation is 370 to 530 nm, and the laser centroid wavelength is in a range of 390 to 550 nm. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei der Pumpstrahl (110) auf eine Oberfläche des ersten Reflektors in einem Winkel in Bezug auf die Normale zur Oberfläche des ersten Reflektors auftrifft.laser structure claim 1 , wherein the pump beam (110) impinges on a surface of the first reflector at an angle with respect to the normal to the surface of the first reflector. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei: die Halbleiter-Verstärkungsregion eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; der erste Reflektor in unmittelbarer Nähe zur ersten Seite der Verstärkungsregion und im Pumpstrahl angeordnet ist; eine reflektierende Oberfläche in unmittelbarer Nähe zur zweiten Seite der Verstärkungsregion angeordnet ist; und ein Luftspalt zwischen dem zweiten Reflektor und der reflektierenden Oberfläche angeordnet ist.laser structure claim 1 , wherein: the semiconductor gain region has a first side and a second side; the first reflector is positioned in close proximity to the first side of the gain region and in the pump beam; a reflective surface is disposed in close proximity to the second side of the gain region; and an air gap is disposed between the second reflector and the reflective surface. Laserstruktur nach Anspruch 6, ferner umfassend Positionierungselemente, die so konfiguriert sind, dass sie eine Dicke des Luftspalts anpassen.laser structure claim 6 , further comprising positioning elements configured to adjust a thickness of the air gap. Laserstruktur nach Anspruch 6, wobei der Pumpstrahl mehrere Moden umfasst, und die Laserstrahlung eine einzige Mode umfasst.laser structure claim 6 , wherein the pump beam comprises multiple modes and the laser radiation comprises a single mode. Verfahren, umfassend: Betreiben eines Lasers, der eine Halbleiter-Verstärkungsregion, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung bei einer Laser-Schwerpunktwellenlänge emittiert, einen ersten und einen zweiten Reflektor und eine reflektierende Oberfläche umfasst, die in unmittelbarer Nähe zu der Verstärkungsregion angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Reflektor einen primären Laserresonator definieren und die reflektierende Oberfläche und der zweite Reflektor einen sekundären optischen Resonator definieren; Betreiben einer Pumpquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Pumpstrahlung mit einer Anzahl von Eingangsmoden emittiert, wobei die Pumpstrahlung zur Halbleiter-Verstärkungsregion gerichtet und wenigstens teilweise in dieser absorbiert wird; und Anpassen eines Spaltes zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem zweiten Reflektor, bis der Laser eine Anzahl von Ausgangsmoden ausgibt, die niedriger als die Anzahl von Eingangsmoden ist, wobei der erste Reflektor eine Anzahl von Schichtpaaren umfasst, wobei jedes Schichtpaar eine erste und eine zweite Schicht umfasst, wobei eine optische Dicke der ersten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und eine optische Dicke der zweiten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und wobei die Schichtpaare des ersten Reflektors dielektrisches Material umfassen.Method comprising: Operating a laser comprising a semiconductor gain region configured to emit radiation at a lasing center wavelength, first and second reflectors, and a reflective surface disposed in close proximity to the gain region, the first and the second reflector define a primary laser cavity and the reflective surface and the second reflector define a secondary optical cavity; operating a pump source configured to emit pump radiation having a number of input modes, the pump radiation being directed toward and at least partially absorbed in the semiconductor gain region; and adjusting a gap between the reflective surface and the second reflector until the laser outputs a number of output modes lower than the number of input modes, wherein the first reflector comprises a number of layer pairs, each layer pair comprising a first and a second layer, an optical thickness of the first layer being 3/4 the laser centroid wavelength, and an optical thickness of the second layer being 3/4 the lasing centroid wavelength is, and where the layer pairs of the first reflector comprise dielectric material.
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